Inhoud
- Wat zijn atomen precies?
- Elementen, moleculen en verbindingen: de basisprincipes van "dingen"
- Moleculair niveau, grootte en vorm
- Regelingen van gewone eenvoudige verbindingen
- De primaire moleculen in de biologie
- Chemische banden
Tijdens je reizen in de wetenschapswereld of gewoon in het dagelijks leven, ben je misschien de term 'vorm past functie' of een variatie op dezelfde zin tegengekomen. Over het algemeen betekent dit dat het uiterlijk van iets dat u tegenkomt een waarschijnlijke aanwijzing is over wat het doet of hoe het wordt gebruikt. In veel nadelen is dit stelregel zo duidelijk dat het exploratie tart.
Als u bijvoorbeeld een object tegenkomt dat in de hand kan worden gehouden en met één druk op de knop licht uitstraalt, kunt u erop vertrouwen dat het apparaat een hulpmiddel is om de directe omgeving te verlichten in afwezigheid van voldoende natuurlijke licht.
In de wereld van de biologie (d.w.z. levende dingen), geldt deze stelregel nog steeds met een paar kanttekeningen. Een daarvan is dat niet alles over de relatie tussen vorm en functie noodzakelijkerwijs intuïtief is.
De tweede, volgend op de eerste, is dat de kleine schalen die betrokken zijn bij het beoordelen van atomen en de moleculen en verbindingen die voortkomen uit combinaties van atomen het verband tussen vorm en functie moeilijk te waarderen maken, tenzij je een beetje meer weet over hoe atomen en moleculen op elkaar inwerken , vooral in de context van een dynamisch levend systeem met verschillende en veranderende behoeften van moment tot moment.
Wat zijn atomen precies?
Voordat we onderzoeken hoe de vorm van een bepaald atoom, een molecuul, een element of een verbinding onmisbaar is voor zijn functie, is het noodzakelijk om precies te begrijpen wat deze termen in de chemie betekenen, omdat ze vaak door elkaar worden gebruikt - soms correct, soms niet.
Een atoom is de eenvoudigste structurele eenheid van elk element. Alle atomen bestaan uit een aantal protonen, neutronen en elektronen, waarbij waterstof het enige element is dat geen neutronen bevat. In hun standaardvorm hebben alle atomen van elk element hetzelfde aantal positief geladen protonen en negatief geladen elektronen.
Naarmate je hoger op het periodiek systeem van elementen komt (zie hieronder), merk je dat het aantal neutronen in de meest voorkomende vorm van een bepaald atoom de neiging heeft iets sneller te stijgen dan het aantal protonen. Een atoom dat neutronen verliest of verkrijgt terwijl het aantal protonen vast blijft, wordt een isotoop genoemd.
Isotopen zijn verschillende versies van hetzelfde atoom, met alles hetzelfde behalve het neutronnummer. Dit heeft implicaties voor radioactiviteit in atomen, zoals je snel zult leren.
Elementen, moleculen en verbindingen: de basisprincipes van "dingen"
Een element is een bepaald type stof en kan niet worden gescheiden in verschillende componenten, alleen kleinere. Elk element heeft zijn eigen ingang in het periodiek systeem der elementen, waar u de fysische eigenschappen (bijv. Grootte, de aard van de gevormde chemische bindingen) kunt vinden die elk element van de andere 91 natuurlijk voorkomende elementen onderscheiden.
Een agglomeratie van atomen, hoe groot ook, wordt als een element beschouwd als het geen andere additieven bevat. Je zou daarom kunnen gebeuren met "elementair" helium (He) gas, dat alleen uit He-atomen bestaat.Of je kunt een kilo 'puur' (d.w.z. elementair goud) tegenkomen dat een ondoorgrondelijk aantal Au-atomen zou bevatten; dit is waarschijnlijk geen idee om je financiële toekomst op te zetten, maar het is fysiek mogelijk.
EEN molecuul is het kleinst het formulier van een gegeven substantie; wanneer u een chemische formule ziet, zoals C6H12O6 (de suikerspiegel), je ziet het meestal moleculair formule. Glucose kan voorkomen in lange ketens genaamd glycogeen, maar dit is niet de moleculaire vorm van de suiker.
Eindelijk een samenstelling is iets dat meer dan één soort element bevat, zoals water (H2O). Moleculaire zuurstof is dus geen atomaire zuurstof; tegelijkertijd zijn alleen zuurstofatomen aanwezig, dus zuurstofgas is geen verbinding.
Moleculair niveau, grootte en vorm
De werkelijke vormen van moleculen zijn niet alleen belangrijk, maar het is ook belangrijk om deze in je geest te kunnen fixeren. U kunt dit doen in de "echte wereld" met behulp van ball-and-stick-modellen, of u kunt vertrouwen op de meer bruikbare tweedimensionale representaties van driedimensionale objecten die beschikbaar zijn in boeken of online.
Het element dat centraal staat (of, als u dat wilt, het hoogste moleculaire niveau) van vrijwel alle chemie, in het bijzonder biochemie, is koolstof. Dit komt door het vermogen van koolstoffen om vier chemische bindingen te vormen, waardoor het uniek is onder atomen.
Methaan heeft bijvoorbeeld de formule CH4 en bestaat uit een centrale koolstof omringd door vier identieke waterstofatomen. Hoe plaatsen de waterstofatomen zichzelf op natuurlijke wijze om de maximale afstand tussen hen mogelijk te maken?
Regelingen van gewone eenvoudige verbindingen
Het gebeurt namelijk, CH4 neemt een ruwweg tetraëdrische of piramidale vorm aan. Een bal-en-stok-model op een vlak oppervlak zou drie H-atomen hebben die de basis van de piramide vormen, met het C-atoom iets hoger en het vierde H-atoom recht boven het C-atoom. Het roteren van de structuur zodat een andere combinatie van H-atomen de driehoekige basis van de piramide vormt, verandert feitelijk niets.
Stikstof vormt drie bindingen, zuurstof twee en waterstof één. Deze bindingen kunnen voorkomen in combinatie over hetzelfde paar atomen.
Het molecuul waterstofcyanide of HCN bestaat bijvoorbeeld uit een enkele binding tussen H en C en een drievoudige binding tussen C en N. Als u weet dat zowel de moleculaire formule van een verbinding als het bindingsgedrag van de afzonderlijke atomen vaak voorspelt veel over de structuur.
De primaire moleculen in de biologie
De vier klassen van biomoleculen zijn de nucleïnezuren, koolhydraten, eiwittenen lipiden (of vetten). De laatste drie hiervan kun je 'macro's' noemen, omdat dit de drie klassen macronutriënten zijn die deel uitmaken van het menselijke dieet.
De twee nucleïnezuren zijn deoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA) en ze dragen de genetische code nodig voor de verzameling van levende wezens en alles wat erin zit.
Koolhydraten of "koolhydraten" zijn gemaakt van C-, H- en O-atomen. Deze zijn altijd in de verhouding van 1: 2: 1 in die volgorde, hetgeen opnieuw het belang van moleculaire vorm toont. Vetten hebben ook alleen C-, H- en O-atomen, maar deze zijn heel anders gerangschikt dan in koolhydraten; eiwitten voegen enkele N-atomen toe aan de andere drie.
De aminozuren in eiwitten zijn voorbeelden van zuren in levende systemen. Lange ketens gemaakt van de 20 verschillende aminozuren in het lichaam zijn de definitie van een eiwit, zodra deze ketens van zuren voldoende lang zijn.
Chemische banden
Er is hier veel gezegd over bindingen, maar wat zijn deze precies in de chemie?
In covalente obligaties, elektronen worden gedeeld tussen atomen. In Ionische bindingen, het ene atoom geeft zijn elektronen volledig af aan het andere atoom. Waterstofbruggen kan worden beschouwd als een speciaal soort covalente binding, maar één op een ander moleculair niveau omdat waterstof in het begin maar één elektron heeft.
Van der Waals interacties zijn "bindingen" die optreden tussen watermoleculen; waterstofbruggen en van der Waals-interacties zijn overigens vergelijkbaar.